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Inmunoanálisis. Son técnicas que permiten cuantificar antígenos o anticuerpos, aprovechando la especificidad y sensibilidad de la unión antígeno/anticuerpo. 2ª. Clase: • Inmunoanálisis • Métodos electroanalíticos Inmunoanálisis. Ejemplos Inmunoanálisis. Immunoprecipitación • Residuos de drogas veterinarias (antibióticos: gentamicina, neomicina, cloramfenicol, sulfonamidas, hormonas). Tilosina en miel (a partir de 2005). • Cloramfenicol en langostinos (su límite impuesto por FDA y la UE bajaron de 5 ppb a 0.3 ppb). • Micotoxinas y otros contaminantes tóxicos: pesticidas, herbicidas. • Además: detección de carnes de distintas especies o adulterantes no cárnicos (AOAC: proteína de soja en hamburguesas) • Autenticidad de jugos de fruta • Adulteración de manteca (girasol) • Detección de proteínas de gluten en alimentos para celíacos. • Detección de residuos de enzimas de uso tecnológico: papaína en cerveza. • Organismos genéticamente modificados (GMO) 1 Marcación de los anticuerpos o antígenos Los antígenos (hormonas, proteínas, pesticidas, etc.) pueden determinarse mediante técnicas que involucran anticuerpos marcados para que la Análisis mediante ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assays) unión antígeno-anticuerpo se haga evidente. Marcación isotópica Fluorescencia Enzimas Marcación con enzimas. Elementos para desarrollar un ensayo ELISA S Ab2/E Hay varias alternativas: Alternativa 1 P muestra Ab1 • Soporte • Anticuerpo para unir al soporte (Ab1) La cantidad de color generado por actividad de la • Segundo anticuerpo marcado con la enzima enzima sobre un determinado sustrato es • Sustrato de la enzima proporcional a la cantidad de antígeno o anticuerpo presente. 2 Ejemplo: determinación de papaína en cerveza o de glutenina en productos para celíacos (AOAC). Alternativa 2 • Soporte • Antígeno para unir al soporte • Anticuerpo marcado con la enzima • Sustrato de la enzima Curva de calibración positiva Este evalúa la cantidad de anticuerpo Ejemplo: determinación de proteínas de soja en hamburguesas (AOAC) remanente luego de reaccionar con la muestra 3 1. La muestra reacciona con un anticuerpo titulado 4. Luego del lavado queda unido el Ab en exceso Muestra/Ag Muestra/Ag Ab1 Ab1 5. se agrega un 2do anticuerpo marcado con una enzima 2. se preparan microplacas con el antígeno unido 3. El exceso de Ab se une al soporte lavado lavado 6. Luego del lavado se agrega el sustrato Muestra/Ag Ab1 Ab2/E Otras alternativas En los ensayos competitivos compiten anticuerpos o antígenos libres con aquellos unidos a soporte o enzimas. Siempre reaccionan de preferencia las moléculas libres. Sustrato producto 7. El producto se determina por medición de absorbancia a 405 nm 4 Esquema ELISA competitivo. Factores clave en el desarrollo de ELISA: Adsorción Unión Lavados Enzimas Anticuerpos Curva de calibración negativa Adsorción Como soporte sólido se emplean microplacas de poliestireno o derivados obtenidos por modificación química o irradiación de la superficie. También pueden ser de PVC El tiempo y la temperatura son los factores críticos que determinan el éxito de la adsorción. Lavados: Se emplean buffers fosfato, Tris o imidazol a pH neutro. 5 Actualmente existen en el mercado “kits” para la realización de ensayos ELISA. • Vit B1 • Salmonella 6 7 GMO Para la detección de GMO se puede emplear técnicas tales como análisis inmunológicos (detección de la proteína producida por el gen insertado) o PCR (reacción de la polimerasa en cadena), para la detección de los segmentos del ADN. 8 GMO – pruebas basadas en detección de proteínas Según el informe de ISAAA, Argentina continúa siendo uno de los principales productores de cultivos transgénicos, luego de EEUU y Brasil, con 23,7 millones de hectáreas en 2011, lo que representa el 14,8% del área global cultivada con transgénicos y un aumento del 3,5% con respecto al año anterior. En cuanto a las aprobaciones regulatorias, Argentina autorizó en 2011 la siembra comercial de tres maíces (MIR162, Bt11 X GA21 X MIR162, DP098140-6) y dos sojas (A2704-12, A5547-127), completando la lista de 3 eventos de soja, 16 de maíz y 3 de algodón aprobados hasta el momento. Los tests de la tira reactiva están limitados a las proteínas de eventos genéticos específicos (ej. Bt o Roundup Ready) y por lo tanto, no son útiles para detectar todos los eventos genéticos de GMO. GMO - detección de ADN insertado GMO Reacción Polimerasa en Cadena (ó PCR). El ADN insertado es mucho más estable que las proteínas y está presente en las mismas concentraciones en todo el OGM. Como es imposible detectar a moléculas individuales de ADN, estas se amplifican usando la técnica de la PCR. 9 PCR Permite la amplificación de secuencias específicas del ADN en pocas horas, facilitando el análisis cualitativo y cuantitativo de dichas secuencias por medio de técnicas de laboratorio comunes. El procedimiento de la PCR se aplica rutinariamente en el caso de alimentos no procesados, en los que el material genético se encuentra intacto. Su selección se fundamenta en su extrema sensibilidad que, bajo condiciones experimentales óptimas, permite la amplificación de más de un billón de copias de la secuencia deseada a partir de una sola copia del ADN original. Desnaturalización: separación de las cadenas de ADN madre por aumento de la temperatura (94°C). Alineación: se baja la T para permitir el reconocimiento d primer con su secuencia complementaria en hebra de ADN madre ( 40 – 72°C). Extensión: la T óptima para actividad de ADN polimerasa (72°C) http://users.ugent.be/~avierstr/principles/pcrsteps.gif Lectura de un microchip luego de la hibridación con DNA marcado. Los puntos fluorescentes representan secuencias pertenecientes a GM presentes en la muestra. En primer plano se muestra una ampliación de uno de los 16 campos que conforman el micro-array. Análisis de GMO empleando micro-arreglos de DNA. A, muestra de soja con bajos porcentajes de soja Roundup Ready (2%); B, muestra de maíz con un bajo porcentaje de Bt-176 maize (1%). Amarillo: sondas específicas de GMO; Rojo: DNA control para ver la eficiencia de la hibridización (luciferasa) y especificidad para cada planta: lecitina de soja o invertasa y zeina de maíz. 10 Métodos electroquímicos para el análisis de alimentos. Análisis avanzado de alimentos 16/10/2011 Métodos electrométricos: Medición Diferencia de potencial Resistencia (conductancia) Corriente vs. voltaje Corriente vs. concentración Corriente vs. tiempo Método Potenciometría Conductimetría Polarografía Amperometría Coulombimetría Otros: Movilidad Electroforesis Métodos espectroscópicos: respuesta de la interacción de radiación electromagnética con el material en análisis. Métodos electrométricos: se basan en la cuantificación de analitos a través de su interacción con corrientes eléctricas. Ejemplos del empleo de métodos electroanalíticos en el análisis de alimentos Principio Ejemplos Potenciometría Electrodos ión selectivos. Titulaciones potenciométricas. Polarografía Electrodo para O2 Amperometría Electrodos enzimáticos. Coulombimetría Detectores para CG. Tit. automáticos para K.Fischer. Conductimetría Detectores: para cromatografía (HPLC, IC, GC), electroforesis capilar. Determinación de contenido de agua. Propiedades dieléctricas det. de cont. de agua Características mecánicas de los materiales 11 Potenciometría. Electrodos ión-selectivos. Determinación de concentraciones a través de mediciones de potencial Celda de medición: electrodo ión-selectivo (o indicador) + electrodo de referencia + dispositivo de medida. Ión solución Ión membrana Las cargas transportadas durante este proceso generan la diferencia de potencial en la capa límite, cuyo valor depende de la actividad del ión en la solución, a través de la ecuación de Nernst. El voltaje total de la celda de medida es: E = Eo + (RT/ziF) ln ai Pendiente de Nernst E es el voltaje de la celda de medida Eo es el voltaje de de la celda de medida en condiciones estándar R es la constante de los gases T es la temperatura (en K) zi es la carga del ión F es la constante de Faraday ai es la actividad del ión en cuestión Membranas de estado sólido. Tipos de electrodos La composición de la membrana es decisiva para establecer a qué ión o compuesto será selectivo el electrodo. Se puede diferenciar entre membranas: Vidrio Membrana cristalina Membrana líquida Además de comp. iónicos se pueden determinar los gases disueltos en equilibrio con un ión, y sustratos que forman iones durante transformaciones enzimáticas. La más empleada es la de vidrio. Los electrodos de vidrio son los electrodos iónselectivos más ampliamente empleados para la medición de iones H+. Para valores de pH muy altos (pH>10) o muy bajos ( pH<1) hay desviaciones, cuya magnitud depende de la composición de la membrana. 12 Electrodo de vidrio (pH) pared externa (E)1 (H+)1 Electrodo selectivo de H3O+ pared interna (E)2 Electrodo combinado de pH. (H+)2 = cte Fundamento: Los iones H3O+ se fijan parcialmente sobre la pared externa e interna de la membrana de SiO2 y la diferencia de concentraciones, genera un potencial eléctrico (de membrana EM). Electrodos de membrana cristalina El electrodo de referencia externo se incorpora dentro del dispositivo. Electrodo de Cl- se construyen con un precipitado muy poco soluble del elemento en cuestión (por ejemplo, AgCl, AgBr, AgI, Ag2S, que sirven para Ag o los aniones). El más conocido es el de F-, realizado con LaF3 que se emplea para determinar F- en productos de uso dental. Con estos electrodos se pueden determinar Cd+2, Pb+2, Cu+2, CN-. Existen distintos diseños comerciales que responden a distintos tipos de aniones y cationes. 13 Electrodos de membrana líquida consisten en un solvente orgánico no miscible con agua en el que se disuelven intercambiadores de iones, o ionóforos. El soporte de la solución son discos porosos de plástico que absorben el líquido. Los intercambiadores de iones pueden ser tanto intercambiadores de cationes (como fosfatos sustituidos que responden a Ca++ o Zn++), o intercambiadores aniónicos (como el ión caprilmetilamonio). Electrodos de membrana líquida Electrodos sensibles a los gases. El intercambiador líquido forma complejos con el analito. A uno y otro lado de la interfase, tiene lugar el intercambio: [(RO)2POO]2Ca 2(RO)2POO- + Ca orgánico orgánico Ejemplos Ion intervalo respuesta 2+ acuoso La diferente concentración de Ca2+ a ambos lados genera un incremento en el valor del potencial que se puede medir interferencias Son electrodos ión-selectivos que responden a compuestos no iónicos debido a un equilibrio preexistente entre un gas y la solución en la que los iones son producidos. 14 Electrodo para CO2 Emplea una membrana permeable al gas, para separar la solución de la muestra de la solución interna del electrodo. El CO2 disuelto en la muestra difunde a través de la membrana hasta que se alcanza el equilibrio entre la presión parcial de CO2 en la muestra y en la solución interna del electrodo. H+ + HCO3- CO2 + H2O [H+] [HCO3-] = E = Eo + k. log H+ Donde: E: potencial medido Eo: potencial de referencia (una constante) H+: concentración de iones H k: pendiente del electrodo. De esta manera, la concentración de CO2 es directamente proporcional a la concentración de H+ E = Eo + k. log CO2 constante CO2 La concentración de HCO3 - se puede considerar constante, y H+ = CO2*constante Electrodo para amoníaco El NH3 en la solución de análisis difunde a través de una membrana de teflón, por la cual los compuestos iónicos no pasan, hasta el electrolito interno. Esto causa un cambio de pH, de acuerdo con: NH3 + H2O NH4+ + OH- Este cambio de pH se detecta por medio de un pHmetro. APLICACIONES DE ELECTRODOS SELECTIVOS Nitrato y nitrito en alimentos base de carnes. Determinación de cloruros. Floruros en agua, bebidas etc. Calcio en leche Potasio en jugo de frutas. Nitrato, potasio calcio y cloruro en suelo y aguas Control analítico de cianuro,fluoruro sulfuro en efluentes, aguas naturales..etc 15 Estación de Trabajo para Titulaciones Potenciométricas Alimentos y bebidas · Número de peróxido: grasas y aceites comestibles · Cloruros: leche, manteca, otros lácteos · Acido ascórbico: jugos de frutas y alimentos en general Medio ambiente y Agua · pH y alcalinidad · Calcio y Magnesio · Sulfato · Demanda química de oxígeno (DQO) Industria química y farmacéutica · Determinaciones ácido-base en medio acuoso / no acuoso . Karl Fisher · Determinaciones redox Otra aplicación de los electrodos de pH: Determinación de la actividad enzimática Como consecuencia de la actividad enzimática se generan o se consume protones, lo que causa un cambio de pH. Se puede mantener el pH constante y luego medir la catidad de ácido o base empleados. Sistema pH-stat Ej. para determinación de lipasa, esterasa, proteasa, colinesterasa Polarografía Monitor polarográfico de oxígeno Consiste en una medición polarográfica (corriente vs. Votaje). Cátodo: metal noble (oro o platino) Ánodo: usualmente de plata. 16 Solamente una pequeña porción del electrodo de Pt está expuesta, el resto del alambre está sellado con vidrio o resina epoxi. Una membrana cubre la punta del cátodo de alambre de Pt, y debajo de la membrana una pequeña porción de electrolito permite un contacto eléctrico entre el ánodo y el cátodo. La reacción que ocurre en el cátodo es: O2 + 4H+ + 4e- --> 2 H2O Las características de la membrana determinan la velocidad de difusión de O del medio externo hacia el cátodo, lo que determina la sensibilidad, velocidad de respuesta y linealidad del electrodo de O. Otras sondas para O2 cuentan con un electrodo plano circular de plata, concéntrico con uno plano anular de Pb. A medida que el O2 difunde a través de la membrana y encuentra el voltaje aplicado, se reduce en el cátodo (el metal del cátodo actúa como una superficie catalítica). cátodo: 2e- + 1/2 O2 ánodo: Pb + 2OH- 2OHPbO + H2O + 2e- 17 Coulombimetría Conductividad eléctrica E·jemplo: Método de Karl Fischer para la determinación de agua . C5H5N . I2 + C5H5N . SO2 + C5H5N + H2O C5H5N . SO3 + CH3OH I = (V2 – V1)/R = (V2 – V1)/ (ρl/s) 2 C5H5N.HI + C5H5N. SO3 C5H5N(H)SO4CH3 En un electrodo (de trabajo) se genera iodo electroquímicamente mediante pulsos de corriente. Se obliga al sistema a producir la reacción mediante una corriente constante. Se mide la duración de un pulso con la indicación voltamétrica de punto final, con un electrodo de platino como contraelectrodo. Permite determinar cantidades extremadamente pequeñas de agua. Principio: por cada 1 F que circula se oxida o reduce 1 equivalente gramo de la sustancia. 1F = 96494C I = (V2-V1) (κ.s/l) R es la resistencia ρ es la resistividad s es la sección de la muestra l es la longitud de la muestra κ es la conductividad Conductividad eléctrica Análisis de aguas La conductividad está íntimamente relacionada con la suma de la concentración de los iones. Aproximadamente el valor de la conductividad en μS/cm por un factor que oscila entre 0,55 y 0,7 es igual al contenido de sólidos en mg/L. Agua de mar ~ 50000μS/cm; aguas residuales 600 a 2000 μS/cm; aguas de pozo 150 a 1000μS/cm aguas de río de 100 a 3000 μS/cm. La medida de conductividad es función de la concentración y movilidad de los iones. En sistemas de bajo contenido acuoso la limitante para la movilidad es el contenido de agua. En sistemas de alto contenido de agua no hay impedimentos para la movilidad iónica y la conductividad es función de la concentración de iones. La conductividad se mide mediante instrumentos comerciales de lectura directa de µS/cm a 25°C con un ε < 1%. En vinos la determinación de conductividad está relacionada con la genuinidad. 18 En definitiva, la conductividad depende de la concentración de iones y de su movilidad, por lo tanto, en un amplio rango de concentraciones o temperaturas, la dependencia será: Sensores y biosensores Partes del Sensor Conductividad (µS) Elemento de reconocimiento Elemento Transductor Convierte el reconocimiento químico en una señal electrónica medible Elemento Amplificador % de sólidos (o T) Elementos de reconocimiento molecular – Enzimático (una enzima o una cascada de enzimas) – Immunológico (Antígeno-Anticuerpo) – Genómico (hibridización de DNA) – Células, tejidos, microorganismos – Receptores artificiales – Membranas lipídicas Elementos transductores (generación de la señal) – Eléctrica – Óptica – Acústica – Magnética – Calorimétrica 19 Algunos ejemplos de biosensores enzimáticos para el análisis en el control de alimentos: Elementos amplificadores de la señal – Potenciométrico – Amperométrico – Coulombimétrico – Transistor molecular L-lactato leche, fermentaciones lácticas. Emplea lactato oxidasa y detección amperométrica. Gránulos de almidón dañados y actividad diastásica. Aptitud panadera de harinas Emplea αamilasa, glucoamilasa y glucosaoxidasa y un electrodo para oxígeno. Glucosa y lactosa leche y productos lácteos, control de hidrólisis de lactosa. Emplea GOD, βgalactosidasa y detección amperométrica. Biosensores electroquímicos Hipoxantina, inosina e IMP determinación de frescura de pescado. Emplea nucleosidasa, nucleósido-fosforilasa y xantino oxidasa en un electrodo de C vítreo modificado y un electrodo para oxígeno. Glucosa, lactato y colesterol Emplea GOD, LO y CO y un electrodo para oxígeno. Ejemplo: detección de H2O2 para la medición de biomoléculas. Algunos ejemplos de reacciones que liberan H2O2 y permiten cuantificar biomoléculas Medición de glucosa Etanol control de fermentaciones. Emplea ADH, NADH y electrodo de pasta de C. Histamina, putrescina y cadaverina. determinación de frescura de pescado. Emplea diamino oxidasa y detección amperométrica. 20 Medición de glutamina Medición de Sacarosa Medición de etanol Y lo mismo para almidón, lactosa, galactosa, etc. Medición del peróxido de hidrógeno generado 1. Mediante un electrodo de Pt El H2O2 se oxida en el ánodo de platino, produciendo electrones. El flujo de electrones es proporcional a la concentración de H2O2 y, por lo tanto, a la concentración de sustrato. Membranas de tres capas. 1. Policarbonato poroso, limita la difusión del sustrato en la segunda capa previniendo que la reacción se vuelva limitada por difusión. 2. Enzima, por ejemplo glucosa-oxidasa. 3. Acetato de celulosa, permite que solo pequeñas moléculas, tales como peróxido de hidrógeno alcancen el electrodo, eliminando muchos compuestos electroquímicamente activos que pueden interferir con la medición. 21 2. Mediante Electrodos recubiertos con films de polímeros redox con HRP (peroxidasa de rábano) Un film de polímero redox que contiene HRP cubre superficie de un electrodo de carbono vítreo y conecta electroquímicamente la peroxidasa al electrodo. El polímero redox reduce el peróxido de H generado electroquímicamente. (Bio)sensores optoelectrónicos Ejemplo: electrodo para determinación de CO2. Consisten en un pequeños reservorios de buffer bicarbonato cubierto por una membrana silicona permeable a los gases. El buffer contiene HPTS (ácido hidroxipirentrisulfónico), un pigmento fluorescente sensible al pH. 22 Biosensores piezoeléctricos La piezoelectricidad es un fenómeno que presentan determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. El CO2 difunde a través de la membrana hacia el buffer, cambiando su pH. A medida que el pH cambia, cambia también la fluorescencia del pigmento. CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3PTS- + H+ <-> HPTS El equipo compara la fluorescencia del pigmento a dos longitudes de onda diferentes para determinar la concentración de CO2 de la muestra. Muestra Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento hace disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Resonancia de plasmón de superficie SPR El plasmón es un fenómeno de densidad de carga electrónica ondulante que sucede en la superficie de una película metálica cuando se refleja luz en condiciones específicas. 23 La resonancia es resultado de la transformación de energía y momento de los fotones incidentes en plasmones de surperficie, y es sensible al índice de refracción del medio del lado opuesto al film que refleja la luz. Existen inmuno sensores ópticos comercialmente disponibles basados en este fenómeno. Se mide el cambio en la posición del detector a través de la caída de intensidad reflejada cuando varía el índice de refracción por la presencia de analito I: blanco. II en presencia de analito. Algunos de los contaminantes que se han detectado con éxito a través de la SPR son: - pesticidas: 2,4-diclorofenol - alérgenos del maní y avellana - toxinas de origen bacteriano (Enterotoxina B) y fúngico: micotoxinas de Fusarium y Aspergillus (zearalenona, DON fuminisina B1 y aflatoxin B1) - microorganismos patógenos: E.coli 0157:H7, Salmonella enteritidis, Listeria monocytogenes, B.subtilis - virus: mosaico del tabaco Además, en el campo de la calidad alimentaria se utiliza la Resonancia de Plasmones Superficiales para la detección, de ácido fólico, biotina y folatos en fórmulas infantiles y leche. Otras aplicaciones para la SPR incluyen la detección de OMG, y los más comunes de estos combinan ADN con transductores piezoeléctricos (QCM) y ópticos (SPR). 24 dextrano analito oro Sensor con superficie modificada con dextrano Métodos separativos basados en propiedades eléctricas de los componentes: Las separaciones electroforéticas se llevan a cabo en dos modalidades: Electroforesis convencional Electroforesis capilar Electroforesis Convencional La electroforesis se define como el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico. La movilidad de las partículas es proporcional al voltaje aplicado y la carga neta de la molécula e inversamente proporcional a la fricción de la molécula; esta última depende de la forma y el tamaño de la misma. 25 La mayoría de las biomacromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos) poseen determinada carga eléctrica con grupos aniónicos y catiónicos capaz de disociarse. La carga neta de la partícula está dada por el pH del medio y puede modificarse. La movilidad electroforética es la velocidad de migración de un ión cuando se aplica un campo eléctrico de 1 V/cm. Su signo es igual al de la carga de la partícula. La velocidad de migración de un ión (v) en el seno de un campo eléctrico, es: μ= (carga neta) Fricción (forma y tamaño) v= μE Donde E es la intensidad de campo eléctrico (V/cm) Entonces y μ es la movilidad electroforética v= qE f P.I. Equilibrio ácido/base en aminoácidos H H + NH 3 C + NH COOH 3 K1 R 3 C R COO- + H+ R H H + NH C NH2 C COOK2 COO- + H+ R 26 Electroforesis Capilar: El empleo de un capilar permite aplicar un alto voltaje y mejorar la separación de moléculas pequeñas o grandes. Ver Material Dra. Leiva 27